(57)【要約】 【課題】  表層に露出した加工部と該加工部の周囲を包み込んで保持する保持部からなる金属−セラミックス複合材料部品であって、加工部と保持部との間に隙間や亀裂がなく、かつ、表層の加工部と保持部の面には段差がない金属−セラミックス複合材料部品及びその製造方法を提供する。【解決手段】  表層に露出した加工部と該加工部の周囲を包み込んで保持する保持部からなる金属−セラミックス複合材料部品であって、前記金属−セラミックス複合材料部品は属マトリックス中にセラミックス強化材が複合されたものからなり、かつ、前記加工部のセラミックス強化材の含有率が１０〜６０体積％であることを特徴とする金属−セラミックス複合材料部品。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表層に露出した加工部と該加工部の周囲を包み込んで保持する保持部からなる金属−セラミックス複合材料部品であって、前記金属−セラミックス複合材料部品は金属マトリックス中にセラミックス強化材が複合されたものからなり、かつ、前記加工部のセラミックス強化材の含有率が１０〜６０体積％であることを特徴とする金属−セラミックス複合材料部品。
【請求項２】
セラミックス強化材からなる保持部形成用プリフォームに凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部にセラミックス強化材の含有率が１０〜６０体積％である加工部形成用プリフォームを嵌合する嵌合工程と、前記保持部形成用プリフォームと加工部形成用プリフォームに溶融金属を非加圧で浸透させる浸透工程と、このようにして得られた金属−セラミックス複合材料の表層部を削り取る研削工程と、を含むことを特徴とする請求項１記載の金属−セラミックス複合材料部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属マトリックス中にセラミックス強化材を複合させてなる金属−セラミックス複合材料部品及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、加工が容易な加工部と加工部の周囲を包み込んで保持する保持部からなる金属−セラミックス複合材料部品及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属材料の高靭性、高熱伝導とセラミックスの低熱膨張、耐摩耗性等を兼ね備えた金属基複合材料は次世代を担う新素材として各方面から注目されている。
従来、該金属基複合材料の製造方法としては、粉末冶金法、高圧鍛造法、真空鋳造法などが知られているが、これらの方法は、セラミックス強化材の含有量が制御できない、大型の加圧装置が必要である、ニアネット成形が困難などの理由により、いずれも十分満足できるものではなかった。
【０００３】
ここで、最近、特に注目されている製造方法として米国ランクサイド社が開発した非加圧金属浸透法がある。この方法は、ＳｉＣやＡｌ2Ｏ3などのセラミックスから成形されたプリフォームとアルミニウム合金を接触させて、これをＮ2雰囲気炉中で700〜900℃に加熱して溶融したアルミニウム合金を浸透させる方法である。したがって、従来のように化学反応を利用してセラミックス粒と溶融合金の濡れ性を改善したり、機械的な加圧を行わなくても溶融金属を浸透できると言う特長がある。
【０００４】
本方法によれば、プリフォームの充填率を制御することにより、セラミックス強化材含有率を所望の値に可変することができるという特長がある。
また、プリフォームの形状の自由度が高いのでかなり複雑な形状をニアネットで作ることも可能である。
【０００５】
一方、このような金属−セラミックス複合材料にネジ加工等の複雑加工を施して他の部品と結合した複合部品が多方面の分野で検討させている。
【０００６】
このような場合、金属−セラミックス複合材料にあらかじめ穴をあけておき、金属ブッシュを挿入する方法も検討されていたが、金属ブッシュの挿入に手間がかかる上に、母材の面に対して０．１ｍｍ〜１ｍｍの段差ができてしまい、高い面精度を必要とする用途に使用することができなかった。
さらには、加工用部材を金属基複合材料の表面に固着して配設してなる金属基複合材料部品も提案されている (たとえば特許文献1参照）。
【特許文献１】特開平１１−８７５８１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記した金属基複合材料部品は製造工程が複雑であり、さらには、金属基複合材料の表面に固着して配設した加工用部材と複合材料との加工性が異なるため、金属基複合材料と加工用部材を同時加工することが難しいという加工上の問題があった。
さらには、表層を研削した場合に、金属基複合材料の面に対して段差ができてしまい、高い面精度を必要とする用途に使用することができないという課題もあった。
【０００８】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、表層に露出した加工部と該加工部の周囲を包み込んで保持する保持部からなる金属−セラミックス複合材料部品であって、加工部と保持部との間に隙間や亀裂がなく、かつ、表層の加工部と保持部の面には段差がない金属−セラミックス複合材料部品及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的は、下記した手段によって達成することができる。
（１）表層に露出した加工部と該加工部の周囲を包み込んで保持する保持部からなる金属−セラミックス複合材料部品であって、前記金属−セラミックス複合材料部品は金属マトリックス中にセラミックス強化材が複合されたものからなり、かつ、前記加工部のセラミックス強化材の含有率が１０〜６０体積％であることを特徴とする金属−セラミックス複合材料部品。
（２）セラミックス強化材からなる保持部形成用プリフォームに凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部にセラミックス強化材の含有率が１０〜６０体積％である加工部形成用プリフォームを嵌合する嵌合工程と、前記保持部形成用プリフォームと加工部形成用プリフォームに溶融金属を非加圧で浸透させる浸透工程と、このようにして得られた金属−セラミックス複合材料の表層部を削り取る研削工程と、を含むことを特徴とする（１）記載の金属−セラミックス複合材料部品の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の金属−セラミックス複合材料部品及びその製造方法であれば、複雑な製造方法を用いなくても加工用部材と保持部材との間に隙間や亀裂がなく、かつ、表層の加工部と保持部の面には段差がない金属−セラミックス複合材料部品を得ることが可能になった。
したがって、信頼性や面精度に関する課題がなくなり、用途が拡大できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明では、表層に露出した加工部と該加工部の周囲を包み込んで保持する保持部からなる金属−セラミックス複合材料部品であって、前記金属−セラミックス複合材料部品は属マトリックス中にセラミックス強化材が複合されたものからなり、かつ、前記加工部のセラミックス強化材の含有率が１０〜６０体積％であることを特徴とする金属−セラミックス複合材料部品を提案している。
【００１２】
ここで、本発明で強化材として使用するセラミックスとしては、ＳｉＣやＡｌ2Ｏ3等セラミックスの粉末および／または繊維を用いることができる。
ただし、加工部のセラミックス強化材としては加工性の良いＡｌ2Ｏ3、がまた、保持部のセラミックス強化材としては、ＳｉＣを用いることが特に好ましい。
また、プリフォームに浸透させる金属としては、Ｍｇを含むＡｌ合金が好ましい。
【００１３】
本発明では、所定の充填状態が得られるように粒度を調製したセラミックス粉末および／または繊維に分散剤やバインダー等を混合し、この混合物を鋳込み成形、加圧成形など種々の方法で所望のセラミックス含有率を有する加工部形成用プリフォームと保持部形成用プリフォームを得る。
【００１４】
ここで、本発明では、前記加工部のセラミックス強化材の含有率が１０〜６０体積％となるようにしている。
後述する本発明の製造方法によれば、プリフォームと金属を浸透させた複合材料のセラミックス強化材の含有率がほぼ等しいことから、本発明では、加工部形成用プリフォームのセラミックス強化材の含有率が１０〜６０体積％となるようにしている。
その理由は、加工部のセラミックス強化材の含有率が６０体積％より多いと切削加工が極端に難しくなるからであり、好ましくは４０体積％以下の含有率で作製するのがよい。また、１０体積％以下では加工部の面積が小さい場合は問題ないが、面積が大きくなった場合に研削加工が難しくなり、保持部と同時加工することで高精度の平面を得ることが困難になるため、好ましくない。
【００１５】
このプリフォームと前記のＡｌ合金を加熱処理することにより溶融Ａｌ合金が加工部形成用プリフォームと保持部形成用プリフォーム内の空孔に浸透して本発明に係る金属−セラミックス複合材料が得られ、その表層部を削り取ることで本発明の金属−セラミックス複合材料部品が得られる。
【００１６】
次に、本発明では、セラミックス強化材からなる保持部形成用プリフォームに凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部にセラミックス強化材の含有率が１０〜６０体積％である加工部形成用プリフームを嵌合する嵌合工程と、前記保持部形成用プリフォームと加工部形成用プリフォームに溶融金属を非加圧で浸透させる浸透工程と、このようにして得られた金属−セラミックス複合材料の表層部を削り取る研削工程と、を含むことを特徴とする前記載の金属−セラミックス複合材料部品の製造方法を提案している。
【００１７】
ここで、本発明のプリフォームの製造方法については、上記したとおりであるが、保持部形成用プリフォームに凹部を形成する方法としては、予め凹部のある型を使用して鋳込み成形、加圧成形など種々の方法により凹部を形成しても良いし、既存のプリフォームに公知の方法で研削加工して凹部を形成しても良い。
この際に、保持部形成用プリフォームに形成する凹部の内寸は、加工部形成用プリフォームの嵌合を容易ならしめるために加工部形成用プリフォームの外寸より大きくすることが好ましい。
また、凹部に嵌合する加工部形成用プリフォームの代わりに、セラミックス充填率が１０〜６０体積％となるように粉末または繊維を直接保持部の凹部に充填することもできる。
【００１８】
次に、本発明における溶融金属を非加圧で浸透させる浸透工程では、好ましくは酸素分圧が１×１０-3Ｔｏｒｒ（０．１３３Ｐａ）以下の窒素中で、Ａｌ合金をプリフォーム中に浸透させる。次に、結果物を冷却することにより、加工部と保持を具備する金属−セラミックス複合材料が得られる。
【００１９】
本発明品は、加工部と保持部との間に隙間や亀裂がない金属−セラミックス複合材料からなる部品であることを特徴とする。
これは、加工部形成用プリフォームと保持部形成用プリフォームおよびこれらの隙間に前記浸透工程で同一の金属が浸透するため、実質的に亀裂や隙間のない状態で一体化することができるためである。
【００２０】
次に、得られた金属−セラミックス複合材料の表層部を削り取る研削工程を施すことにより本発明の金属−セラミックス複合材料部品を製造することができる。
ここで、本発明の加工部と保持部には同一の金属が浸透しており、かついずれの部分にもセラミックスが充填されているため、同じ加工条件での同時加工が可能であり表層の加工部と保持部の面には段差がなく平面度が０．０１ｍｍ以下の高精度の平面を得られるという特徴がある。
【００２１】
以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００２２】
（実施例１）
ＳｉＣ強化材含有率７０体積％のプリフォームを以下に示すように沈降成形法で作製した。
すなわち、＃１８０（平均粒径６６μm）の市販ＳｉＣ粉末７０重量部と＃８００（平均粒径１４μm ）の市販ＳｉＣ粉末３０質量部に対して、バインダーとしてコロイダルシリカを１０質量部、消泡材としてフォーマスタＶＬ（サンノプコ社製）０.２質量部を添加し、更にイオン交換水を２４質量部加え、ポットミルで１２時間混合して、スラリーとした。このスラリーを、ゴム型に流し込み、それを２４時間静置し、ＳｉＣ粉末を沈殿させ、上済み液を布などで除去した後に、この成形体を冷凍庫で冷凍させてから脱型し、１０００℃で焼成して、横２００×縦１５０×厚さ３０ｍｍの保持部形成用プリフォーム板を得た。
次に、当該保持部形成用プリフォーム板にエンドミルで生加工により掘り込んで、φ２０×深さ１０ｍｍの凹部を１０箇所に形成した。
【００２３】
次に、同様にして加工部形成用プリフォームとしてはＡｌ2Ｏ3強化材含有率３０体積％でΦ１９ｍｍ×高さ１０ｍｍの円柱形のものを作成し、保持部の凹部に嵌合した。両プリフォーム（保持部と加工部形成用プリフォーム）間の隙間は約０．５ｍｍであった。
【００２４】
次に、両プリフォームをＭｇを含有するＡｌ合金とともに炉内に設置し、電気炉にて、Ｎ２気流中、浸透温度８００℃で５０時間加熱処理した。加熱中、両プリフォームおよびその隙間には溶融合金が非加圧浸透した。冷却後、電気炉から取り出したところ、浸透は完了して加工部と保持部とからなる金属−セラミックス複合材料が得られた。
次に、金属−セラミックス複合材料の表層を研削加工により削り取れば、図１と図２に模式的に示した本発明の金属−セラミックス複合材料部品が得られる。
図１は本発明の金属−セラミックス複合材料部品の斜視図であって、図２は、本発明の金属−セラミックス複合材料部品の要部断面である。図１と図２において、１が加工部であり、２は保持部である。
得られた金属−セラミックス複合材料部品の表層の加工部と保持部の面には段差が認められなかった。また、加工部と保持部は実質的に隙間のない状態で嵌合されていた。
次に、加工部に対してＭ８のネジをタップ加工したところ１０箇所とも加工精度よくネジ加工ができた。
【００２５】
（比較例１）
加工部形成用プリフォームとして、Ａｌ2Ｏ3強化材充填率が６５体積％のものを用いた以外は実施例１と同様の方法で両プリフォームに溶融合金を非加圧浸透した。冷却後、電気炉から取り出したところ、浸透は完了していた。次に、金属−セラミックス複合材料の表層に研削を行ったが、加工部と保持部の面には段差は認められなかった。
しかし、加工部に対してＭ８のネジをタップ加工したところ１０箇所のうち２箇所の加工を行った時点で、磨耗により工具が破損し全部を加工することができなかった。したがって、本発明の比較例１との優位性を確認することができた。
【００２６】
（比較例２）
加工部形成用プリフォームの代わりに、Ａｌ2Ｏ3強化材が含まれないアルミニウム板を用いた以外は実施例１と同様の方法で両プリフォームに溶融合金を非加圧浸透した。冷却後、電気炉から取り出したところ、浸透は完了していた。
次に、金属−セラミックス複合材料の表層に研削を行ったが、加工部に強化材としてセラミックスが含まれないため、研削中に目詰まりが発生し加工面に凹凸が発生した。また、加工部に凹みが認められた。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の金属−セラミックス複合材料部品の斜視図である。
【図２】本発明の金属−セラミックス複合材料部品の要部断面である。
【符号の説明】
【００２８】
１；加工部
２；保持部
【図１】
2005336504.tif 000003
【図２】
2005336504.tif 000004